Fraunhofer LBF nutzt Festigkeitspotentiale von Gusseisen optimal aus

Ob bei Großpressen, Getrieben oder Windkraftanlagen - der Traditionswerkstoff Gusseisen hat sich als wandelbarer und verlässlicher Werkstoff etabliert. Wenn es um die Sicherheit von Produkten und Anlagen geht, stehen Fragen der Werkstoffqualität im Fokus. Unter der Maxime Detektieren, qualifizieren, bewerten hat sich das Fraunhofer-Institut für Betriebsfestigkeit und Systemzuverlässigkeit LBF mit experimentellen und numerischen Untersuchungen des Schwing- und Betriebsfestigkeitsverhalten von Gusswerkstoffen auf Basis von Eisen-Kohlenstoff-, Aluminium- und Magnesiumlegierungen eine über Jahrzehnte gewachsene Expertise erarbeitet.

Besonders groß ist die Erfahrung bei der individuellen Probenentnahme, der lokalen Schwingfestigkeitsbewertung und Werkstoffkennwertermittlung sowie deren Einbindung in numerische Simulationen und Methoden. Eine enge Einbindung von Zertifizierungsbetrieben sichert darüber hinaus den Wissenstransfer aus der Forschung in die praktische Anwendung. In mehreren aktuellen Forschungsvorhaben setzt das Institut sein umfassendes Knowhow als kompetenter und zuverlässiger Entwicklungspartner für Gießereiprodukte und -technologien ein. Das besondere Augenmerk gilt dabei den Ungänzen in Werkstoffen.

Im Rahmen ihrer Untersuchungen ermitteln die Wissenschaftler des Fraunhofer LBF das zyklische Werkstoffverhalten von Werkstoffproben sowie Gusskomponenten und –baugruppen unter konstanten und variablen Belastungsamplituden. Weitere typische Untersuchungen sind die numerische, gussspezifische Last- und Beanspruchungsanalyse sowie die Lebensdauerbewertung von Bauteilen und kompletten Anlagensystemen. Zum Methodenspektrum gehört auch die Lastdatenanalyse der Gussbauteile im laufenden Betrieb. Dabei ist es dem Darmstädter Institut besonders wichtig, die im Experiment ermittelten zyklischen Beanspruchbarkeiten mit der numerischen Bauteilanalyse zu verknüpfen und dabei Übertragbarkeitskonzepte einzubinden. Da Werkstoffe nicht frei von Ungänzen sind, engagiert sich das Fraunhofer LBF verstärkt in der experimentellen und numerischen Ermittlung der Beanspruchbarkeit von Bauteilen mit Poren, Lunkern, Dross oder Oxidhäuten sowie deren Einbindung in Bauteilbemessungskonzepte. Darüber hinaus beschreiben die Forscher experimentell und numerisch, wie sich typische Nachbehandlungsverfahren für Gusswerkstoffe wie Festwalzen, Nitrieren, Randschichtenhärten, Verfestigungsstrahlen und das Vergüten auf die Beanspruchbarkeit der Werkstoffe und Bauteile auswirken.

Dross in dickwandigem GJS: Gussoberfläche nach fluoreszierender Magnetpulver-Prüfung

Schwingprobe mit Lunkern

Für die Untersuchungen an Gusswerkstoffen greift das Fraunhofer LBF auf eine umfangreiche Labor- und Rechnerarchitektur zurück. Dies umfasst elektrische und servohydraulische Maschinen für Schwingfestigkeitsversuche auf Kleinlastprüfständen bei Nennlasten von wenigen Newton bis hin zu Schwingfestigkeitsversuchen unter Maximallasten bis 2.500 Kilonewton und Bauteilabmessungen im Bereich von mehreren Metern. Dabei lassen sich variable Belastungsamplituden und variable Prüffrequenzen zwischen 0,01 und 700 Hertz realisieren. Auch die Prüfung unter Temperaturen zwischen -40 und 900 °C sowie unter gleichzeitigem korrosivem Angriff von Medien ist möglich. Die experimentelle Beanspruchbarkeitsanalyse wird numerisch durch Finite Element Analysen sowie Mehrkörpersimulationen unterstützt. Dies umfasst die Lastdatenanalyse, die Definition von Versagenskriterien, -arten und -orten am Bauteil, die Einbindung von Erkenntnissen zum zyklischen Werkstoffverhalten von Werkstoffen und Bauteilen sowie die Erarbeitung von Methoden zur Übertragung der Kennwerte auf andere Anwendungsfälle.

Schwingprobe mit Lunkern

Aktuelle Forschungen zu Extremlasten und Umgang mit Werkstofffehlern

In mehreren aktuellen Forschungsvorhaben setzt das Fraunhofer LBF sein umfassendes Knowhow und die langjährige Erfahrung als kompetenter und zuverlässiger Entwicklungspartner für Gießereiprodukte und -technologien ein. Gemeinsam mit Vertretern aus Gießereien, Gussanwendern, Zertifizierern und Konstruktionsbüros arbeiten die Darmstädter Forscher zurzeit an einer Methode, die die Bauteilbemessung von Großgusskomponenten in der Windenergie und im Großanlagenbau, insbesondere unter Berücksichtigung von Extremlasten, verbessern soll. Zusammen mit verschiedenen Forschungseinrichtungen arbeitet das Fraunhofer LBF darüber hinaus an Methoden für eine betriebsfeste Bemessung von Gusshautrandzonen bei Bauteilen aus Gusseisen mit Kugelgraphit.

Zusammen mit Vertretern aus den Bereichen Windenergie, Zertifizierung, Großanalagenbau und Gießereitechnik erarbeitet das Fraunhofer LBF mit dem Fraunhofer IZFP in einem weiteren Forschungsprojekt zerstörungsfreie Prüfverfahren für die zuverlässige Detektion von Dross sowie ein Bemessungskonzept auf Basis der zerstörungsfreien Prüftechnik, das einen Betriebsfestigkeitsnachweis für die mit Dross behafteten Bauteile ermöglicht. Gesamtziel des Forschungsprojektes ist es, ein Konzept zum sicheren Umgang mit dem Werkstofffehler Dross in der Bauteilauslegung, -herstellung und -freigabe von Großgusskomponenten aus Gusseisen mit Kugelgraphit für Windenergieanlagen sowie für den Anlagen- und Maschinenbau zu entwickeln. Das soll die Bauteilauslegung, -herstellung und -prüfung mittels zerstörungsfreier Prüfmethoden beschleunigen.

An der dritten internationalen Fachtagung CastTec 2016 Die Welt der Gusseisenwerkstoffe – Vielfalt für die Zukunft am 24. und 25.11.2016 in Darmstadt beteiligt sich das Fraunhofer LBF mit drei Vorträgen zu den Themen Eisenguss als Leichtbauwerkstoff, Bewertung der Schwingfestigkeit von dickwandigen Bauteilen aus Gusseisen mit Kugelgraphit unter besonderer Berücksichtigung der Auswirkungen von Lunkern sowie Beitrag zur Bemessung von zyklisch beanspruchten Bauteilen aus Sphärogusswerkstoffen. Am zweiten Konferenztag besteht die Möglichkeit zu einer Führung durch das Institut, insbesondere durch die Betriebsfestigkeitslabore.

https://www.lbf.fraunhofer.de/